大氣氣溶膠對(duì)激光的衰減特性研究.pdf

1、隨著新型激光光源和激光接收技術(shù)的不斷發(fā)展，激光在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，環(huán)境檢測(cè)，航天事業(yè)及國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。如將激光作為信息載體應(yīng)用于激光通信、目標(biāo)跟蹤定位、目標(biāo)測(cè)距、目標(biāo)識(shí)別、激光制導(dǎo)等領(lǐng)域，或?qū)⒓す庾鳛槟芰康妮d體制造激光武器等。但不論何種功能應(yīng)用，都必須依賴一定波長(zhǎng)、一定功率的激光輻射在激光發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間的大氣環(huán)境傳輸，激光在大氣中傳輸時(shí)，必然會(huì)受到各種大氣氣象現(xiàn)象的影響。本文討論了激光在大氣傳輸中的若干問題。基于

2、理論方法重點(diǎn)開展了入射激光波束與典型大氣氣溶膠粒子、任意形狀的氣溶膠粒子及凝聚型粒子的相互作用研究，分析了各類氣溶膠粒子在平面波及高斯波入射條件下的吸收、散射及衰減效應(yīng)；將氣溶膠衰減特性的研究應(yīng)用于不同環(huán)境模式的激光傳輸衰減并給出了傳輸衰減特性在實(shí)驗(yàn)室粒子濃度測(cè)量中的應(yīng)用；最后討論了湍流大氣對(duì)光傳播的影響及一種光強(qiáng)閃爍抑制方式。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研究了典型成分及典型形狀大氣氣溶膠的激光衰減特性。以廣義洛倫茲米理論為基礎(chǔ)，

3、利用矢量波函數(shù)展開得到入射波束的電磁場(chǎng)分量，得到對(duì)應(yīng)于粒子形狀的波束因子的直接求解，開展了單個(gè)球形、含核球形、橢球形、無限長(zhǎng)圓柱形等形狀的云滴及IAMAP（國(guó)際氣象與大氣物理學(xué)會(huì)）提出的無云大氣氣溶膠模型中主要?dú)馊苣z粒子類型的吸收、散射和衰減特性仿真，研究了激光波束與氣溶膠粒子的相互作用規(guī)律，討論了入射波束類型和波長(zhǎng)、粒徑大小、形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、成分等因素對(duì)氣溶膠激光大氣衰減的影響。⑵研究了任意形狀及凝聚型大氣氣溶膠的激光衰減特性?；趯?shí)

4、際大氣中的復(fù)雜形狀的氣溶膠粒子進(jìn)行了理論抽象，在面積分方程的矩量法框架下，建立了任意形狀氣溶膠粒子的散射場(chǎng)分布模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)接觸雙球形、六棱柱形、橢圓柱形、重疊球形、橢球串等形狀的均勻冰晶氣溶膠粒子和具有復(fù)雜空間及分形結(jié)構(gòu)的凝聚型氣溶膠群的散射特性模擬，通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果證明了氣溶膠的吸收和散射等光學(xué)特性不僅依賴于波長(zhǎng)、尺寸參數(shù)、折射率，還取決于粒子的形狀和凝聚的空間形態(tài)，證明了等效球模型具有很大的誤差并基于本文算例討論了等體積和等截面

5、積兩種等效的優(yōu)劣。⑶研究了離散型典型大氣氣溶膠環(huán)境模式的激光衰減特性?；趩蝹€(gè)氣溶膠粒子的激光衰減特性分析結(jié)果，開展了離散分布的氣溶膠粒子系的激光大氣傳輸研究，討論了具有一定濃度、尺度譜分布規(guī)律和物理化學(xué)特性的氣溶膠系對(duì)光束傳輸?shù)挠绊?，給出了衰減特性隨氣溶膠模式、激光波長(zhǎng)、含水量等大氣參量的變化。搭建了氣溶膠粒子濃度測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用消光法測(cè)量了煤煙粒子樣品的消光率，通過粒徑分布算法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)值擬合反演得到試驗(yàn)樣品的粒徑分布規(guī)律。

6、⑷探索了湍流大氣對(duì)激光大氣傳輸特性的影響。基于大氣激光信號(hào)在湍流中傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用背景，討論了光束擴(kuò)展、光束漂移及光強(qiáng)閃爍等湍流效應(yīng)的形成機(jī)理，基于光場(chǎng)信號(hào)的二階矩和四階矩推導(dǎo)給出了這三種湍流大氣現(xiàn)象的數(shù)學(xué)描述，建立了大氣激光傳輸應(yīng)用中的光波傳播特性研究模型；開展了激光信號(hào)傳輸?shù)闹饕绊懸蛩毓鈴?qiáng)閃爍的研究，構(gòu)建了光強(qiáng)閃爍概率分布模型，討論了光強(qiáng)閃爍的光接收抑制技術(shù)，在常見的 Gamma-Gamma大氣信道衰落模型下，以光前置放大接收結(jié)構(gòu)為